将MOSFET驱动器用于电机驱动


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简介

在电机驱动系统中,栅极驱动器或“预驱动器”IC通常与n通道功率mosfet一起使用,以提供驱动电机所需的大电流。在选择驱动IC、mosfet以及在某些情况下相关的无源组件时,需要考虑许多设计因素。这个过程通常理解得很差,实现也不是最优的。

本文将讨论为预驱动/功率MOSFET电路选择元件的简单方法,以及由此产生的系统性能。

从电机开始

要设计一个直流电动机驱动——无论是为有刷电机还是三相无刷电机——电机的特性将决定驱动的设计细节。有助于确定驱动设计的两个主要因素是电机的工作电压和电流要求。

然而,这些参数并不像它们最初看起来那么简单。电机通常有电压和电流额定值,但在实际运行中,运行值可能与这些额定值不同。电机转速由外加电压决定。电机所需的电流取决于施加在电机上的转矩。因此,驱动器可能需要也可能不需要设计到电机的全部规格。

转速常数和转矩常数——通常在电机数据表中给出——可用于估计特定应用所需的电压和电流。驱动必须由至少与从电机获得所需速度所需的电压一样高的电压供电,但电源电压通常由系统可用的电压决定。最大电流要求通常由启动机械负载电机所需的转矩来设定。

选择mosfet

请务必选择功率mosfet,至少额定电源电压和电机所需的最大电流。一定的裕度也是必要的。

通常,mosfet的漏源电压额定值(VDS)应至少比电源电压高20%。在某些情况下,特别是在大电流、大转矩步长和电源控制不佳的系统中,所需的裕度可能高达电源电压的两倍。

MOSFET的额定电流当然必须足够高,以提供电机所需的峰值电流,但通常热因素占主导地位。mosfet在漏源电阻中耗散功率并产生热量:RDS(上).热约束,包括环境温度和任何可用于mosfet的散热,限制了可以消耗多少功率。这个最大允许功耗驱动基于RDS(on)值的mosfet的选择。

一旦必要的电压额定值和RDS(上)确定后,重要的是要考虑总登机门费用(QG).栅极电荷是衡量开关MOSFET需要多少电荷的指标。具有较低QG的MOSFET更容易驱动。它可以更快地开关,与一个较低的门驱动电流,比一个高QG

栅极驱动电流和上升/下降时间

功率MOSFET的栅极可以看作栅极和源端之间的非线性电容。即使栅极不导直流电,也需要电流来对栅极电容进行充放电以打开和关闭MOSFET。提供给栅极的电流量决定了完全打开MOSFET所需要的时间。类似地,当电流被拉出栅极时,该电流量设置MOSFET关断时间。

为了理解驱动栅极需要什么,我们需要知道MOSFET的开关速度有多快。在低开关损耗(需要快速上升和下降时间)和低EMI(需要缓慢上升和下降时间)之间进行了设计权衡。此外,PWM频率和所需的最小和最大占空比对开关所需的速度提出了时间限制。例如,对于20kHz PWM频率,1%的占空比需要产生500ns长的脉冲。这需要几百纳秒或更短的上升和下降时间。

确定所需的上升/下降时间后,计算所需的栅极驱动电流。这可以估计为QG/ t,其中QG是总门电荷,t是期望的上升/下降时间。

请注意,这是在整个上升/下降时间内需要驱动的电流量-实际上,栅极驱动电流通常在这段时间内有所变化,因为大多数栅极驱动器不是恒流驱动器。

如果输入恒定电流到栅极,栅极电压不是线性斜率-它在MOSFET开关期间达到一个平台(参见图1)。这被称为“米勒高原”,是由门漏电容引起的。当漏极跃迁时,这个电容带电流充电,所以栅极源电容的充电变慢。

为栅极充电的电流越低,完成过渡所需的时间就越长。

图1:1A恒流栅极驱动器(100nC -红色=栅极,紫色=漏极,200ns/div。)

图2:12V栅极驱动器12Ω系列电阻(100nC -红色=栅极,紫色=漏极,200ns/div。)

图2如果使用12V恒压门驱动12Ω系列电阻,则显示波形。平台仍然存在,栅极达到12V需要更长的时间,但在漏极处的开关时间几乎相同。

选择预驱动IC

一旦您知道所需的最小栅极驱动电流,选择a门驱动器(预驱动器)IC可以支持电流。这些部件种类繁多,具有不同数量的通道,栅极驱动电流能力和供电电压范围。附加的集成功能,如电流检测放大器和保护电路,也可在某些部分。

前置驱动器ic可从许多制造电源管理产品的半导体供应商获得,包括MPS。有各种各样的单通道和三通道预驱动器ic设计用于直流电机驱动器,包括三通道60 v而且100 v家庭,以及单相100 v设备。

一些预驱动器ic使用线性调节器、电荷泵和/或自举电容器从主电机电源内部产生所需的栅极驱动电压。其他需要单独的门驱动电源。要以100%占空比运行(长时间高输出),请选择带有内部电荷泵的预驱动器,以保持高侧闸门长时间开启。仅依赖高侧自举的预驱动器只能在有限的时间内保持高侧MOSFET,因为泄漏会在一段时间后耗尽自举电容。

栅极驱动器必须能够提供至少达到上述上升和下降时间所需的电流,但也可以使用具有更大电流能力的驱动器。

一些驱动ic提供了一种方法来调整上升和下降时间(也称为“回转率调整”),通过改变部分内部的门驱动器的数量。当使用没有内置回转速率调节的部件时,用户可以在栅极驱动器输出和MOSFET栅极之间插入电阻。这限制了栅极电流,并减缓了上升和下降时间。

通过增加一个二极管得到独立的上升和下降时间(参见图3)。

图3:添加二极管示意图

图4:门和输出波形

这样做通常是为了确保半桥结构中的一个场效应晶体管在相反的场效应晶体管打开之前完全关闭,这保证了死时间。图4显示,低侧栅极(GLA)通过二极管放电时下降非常快,但高侧栅极(GHA)由于电阻而充电缓慢。结果是在输出(SHA)处有一个缓慢的上升时间,由高侧MOSFET导通控制。

由于栅极具有非线性电容,驱动器通常不是真正的电压或电流源(通常是在线性区域工作的FET),因此很难精确计算实现特定上升或下降时间所需的电阻。通常最好是通过实验或模拟得出正确的值。首先假设栅极驱动电流等于栅极驱动电压(通常是12V)除以串联电阻,然后从那里开始工作。在进行计算时,一定要包括栅极驱动器的输出电阻。

结论

本文提供了一些实用的信息,以选择最佳的组件用于电机驱动器与预驱动器IC和功率mosfet。希望它将帮助您在选择正确的IC和相关的组件在您的下一个电机驱动设计。

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